À l'avenir, la physique quantique pourrait devenir le garant d'une informatique sécurisée. Pour y parvenir, des particules de lumière individuelles (photons) sont utilisées pour la transmission sécurisée des données. Les découvertes des physiciens du Max Planck Institute for Solid State Research pourraient jouer un rôle clé. Les chercheurs sont tombés par hasard sur une source lumineuse qui génère une paire de photons à partir de l'énergie d'un électron. L'une de ces particules de lumière a le potentiel de servir de porteur de l'information quantique fragile, L'autre, en tant que messager pour notifier préalablement son jumeau.

Contrairement à la communication quantique, un cuisinier a le luxe de pouvoir regarder si tous les ingrédients dont il a besoin pour une recette sont dans le placard. Après tout, la farine ne se gâte pas au moment où vous y jetez un coup d'œil. Un physicien essayant de tester si une procédure de transmission d'informations quantiques a fonctionné comme prévu se trouve dans une position beaucoup plus délicate. Les objets quantiques changent d'état lorsqu'ils sont observés, c'est-à-dire mesuré. En communication quantique, cela rend difficile le contrôle des informations transmises par les photons. Mais c'est le point crucial. Chaque contact avec l'environnement peut détruire l'information quantique véhiculée par les photons, et en plus, les sources de particules lumineuses individuelles ne génèrent souvent que de manière très irrégulière des photons uniques. Comment pouvez-vous garantir qu'un photon est en route sans le mesurer ? Les paires de photons sont la solution. Un photon pourrait servir de messager à son jumeau.

Une source inattendue de paires de photons

Les scientifiques de l'Institut Max Planck pour la recherche sur l'état solide ont maintenant découvert une source inattendue de telles paires de photons :un microscope à effet tunnel. Les chercheurs utilisent normalement un tel microscope pour étudier les surfaces de matériaux conducteurs ou semi-conducteurs. Le microscope est basé sur un effet connu sous le nom d'effet tunnel quantique. Ceci décrit comment les électrons ont une certaine probabilité de traverser une barrière qui, selon la physique classique, ils ne pourraient normalement pas traverser. Dans un microscope à effet tunnel, une tension est appliquée à une pointe métallique, provoquant un tunnel d'électrons sur une courte distance jusqu'à un échantillon. Si un électron perd de l'énergie au cours de ce processus d'effet tunnel, la lumière est produite.

C'est précisément cette lumière que les physiciens de Stuttgart étudient depuis plusieurs années. Leurs travaux aboutissent aujourd'hui à un constat surprenant :lors du creusement, en plus des particules lumineuses individuelles, des paires de photons sont également formées, au taux 10, 000 fois supérieur à ce que la théorie prédit. « Selon la théorie, la probabilité qu'une paire de photons se forme est si faible que nous ne devrions jamais la voir, " explique le scientifique Christopher Leon. " Mais notre expérience montre que les paires de photons sont générées à un rythme beaucoup plus élevé. Cela a été une énorme surprise pour nous."

Les physiciens ont mesuré les paires de photons à l'aide de deux détecteurs, leur permettant de mesurer l'intervalle de temps entre les photons arrivant. "Au moment où une paire de photons se forme dans une jonction tunnel, ils sont distants de moins de 50 billions de seconde, " explique le principal scientifique Klaus Kuhnke. Pour l'instant, il est impossible de dire si les photons sont effectivement produits simultanément ou en succession rapide. La résolution des détecteurs n'est pas encore assez élevée.

Nouvelles applications pour les jonctions tunnel

Les résultats ouvrent de nouvelles applications en photonique et en communication quantique pour les jonctions tunnel. Les scientifiques connaissent déjà des processus qui génèrent des paires de photons, mais la plupart d'entre eux utilisent une lumière laser intense. En revanche, la méthode développée par les scientifiques de Max Planck à Stuttgart est purement électronique.

En outre, les composants requis sont très petits, et le processus se déroule à l'échelle atomique. Cela signifie que la nouvelle source lumineuse pourrait également être utilisée dans les futures générations de puces informatiques, remplacer les composants électroniques par des composants optiques. L'un des avantages de l'utilisation des photons est qu'ils promettent une transmission de données rapide et sans perte. Les paires de photons de l'expérience menée par les chercheurs de Stuttgart étaient extrêmement rapides, mais l'ultra-vide et les très basses températures requises par l'expérience restent un défi pratique.

La prochaine étape pour les scientifiques est de savoir si la mesure d'un photon affecte directement l'état de l'autre. Si c'est le cas, les particules légères seraient enchevêtrées. Les particules intriquées de ce type sont cruciales en cryptographie quantique. Les résultats soulèvent également des questions fondamentales sur la formation des paires de photons. Jusqu'à maintenant, le processus a été pratiquement négligé d'un point de vue théorique. "Le fait que des paires de photons soient générées indique qu'un processus compliqué doit avoir lieu, " dit le théoricien Olle Gunnarsson. Klaus Kern, Directeur du Max Planck Institute for Solid State Research, convient que le processus est passionnant :« C'est passionnant parce qu'il ouvre une nouvelle perspective sur la façon dont la lumière est produite.